霧霾形成的關(guān)鍵因素之一 ---顆粒物
霧霾成因極為復(fù)雜, 我國(guó)當(dāng)前的霧霾屬于復(fù)合型污染。其中既包括燃料燃燒過(guò)程中形成的煙塵飛灰、各種工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的微粒、汽車排放的碳煙顆粒物等一次顆粒物,還包含硫氧化物、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物等氣態(tài)物質(zhì)通過(guò)“氣粒轉(zhuǎn)化”過(guò)程形成的二次顆粒物。在穩(wěn)定的大氣環(huán)境下,顆粒物吸水會(huì)形成霧滴,降低能見(jiàn)度,影響太陽(yáng)輻射,改變區(qū)域氣候環(huán)境,威脅人類身體健康。京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,污染企業(yè)較多。尤其是河北地區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式粗獷,污染源面積較大。
從單純技術(shù)成分分析,構(gòu)成霧霾的主要性狀物是氣溶膠,是由固體或液體小顆粒分散并懸浮在氣體介質(zhì)中形成的膠體分散體系。對(duì)于大氣來(lái)講,大量干燥的氣溶膠粒子均勻地懸浮在空中,會(huì)降低大氣能見(jiàn)度。當(dāng)水平能見(jiàn)度低于10公里時(shí),就可將此時(shí)的大氣混濁狀態(tài)稱為霾。然而,干燥的氣溶膠粒子還會(huì)吸收大氣中的水蒸氣,使其粒徑增大,生成云凝結(jié)核,形成細(xì)小的云霧滴。這樣一來(lái)會(huì)進(jìn)一步降低大氣能見(jiàn)度,當(dāng)能見(jiàn)度低于1公里時(shí),就將這種現(xiàn)象定義為霧霾。當(dāng)前,我國(guó)頻發(fā)的區(qū)域性能見(jiàn)度低于10公里的空氣普遍渾濁現(xiàn)象就稱為霧霾天氣。
由上可知,大氣中的干氣溶膠粒子形成霾,吸水之后形成霧霾。在工業(yè)化排放為較弱時(shí),氣溶膠粒子主要來(lái)源于自然排放。近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，人類向大氣中排放了大量的氣溶膠粒子,大面積霧霾天氣開(kāi)始形成。此外,對(duì)氣溶膠單粒子的分析發(fā)現(xiàn):華北地區(qū)7%的氣溶膠與2-3種其他來(lái)源氣溶膠混合，同時(shí)顆粒表面發(fā)生的異相化學(xué)反應(yīng)使大量有毒有害物質(zhì)富集在氣溶膠顆粒表面對(duì)人體健康造成危害。霧霾形成后,會(huì)將更多的太陰射反射或散射回太空,降低地面獲得的太陽(yáng)輻射量,增加大氣穩(wěn)定度,造成一次和二次氣溶膠粒子的進(jìn)一步積聚,使得霧霾難以散去。這進(jìn)一步顯示了霧霾天氣的影響因素眾多,形成機(jī)理復(fù)雜,霧霾治理面臨巨大挑戰(zhàn)。
霧霾顆粒物基本分類
顆粒物的來(lái)源包含自然源和人為源。自然源主要包括揚(yáng)塵海水飛沫而成的鹽粒、火山爆發(fā)的散落物以及森林燃燒的煙塵等。對(duì)城市來(lái)講,人為排放占主要地位。其中主要包括熱電廠煙氣、機(jī)動(dòng)車尾氣、工業(yè)爐窯廢氣等。顆粒物還可分為一次顆粒物和二次顆粒物。人類活動(dòng)直接向大氣排放的顆粒為一次顆粒物。而人為排放的污染氣體在大氣中通過(guò)物理化學(xué)過(guò)程生成的顆粒稱為二次顆粒物,懸浮在空氣中的顆粒物尺寸一般在納米到微米范圍內(nèi)變化。顆粒的尺寸對(duì)于其物理化學(xué)特性影響較大。由于顆粒較小,其粒徑和密度難以測(cè)量,顆粒的特性難以統(tǒng)一比較,因此引入空氣動(dòng)力學(xué)直徑的概念,以便比較顆粒的尺寸。
主要污染源顆粒物形成機(jī)理
大氣中二次顆粒物、燃煤電廠、機(jī)動(dòng)車排放物、生物質(zhì)燃燒和垃圾焚燒過(guò)程中顆粒物的形成雖具有不同的表現(xiàn)形式,但其技術(shù)機(jī)理相同。尺寸較小的顆粒主要是通過(guò)包含成核、凝結(jié)和聚并作用的“氣粒轉(zhuǎn)化”過(guò)程生成的,而尺寸較大的顆粒主要來(lái)源于化石燃料燃燒過(guò)程中形成的飛灰或者機(jī)動(dòng)車燃油產(chǎn)生的碳煙顆粒。這些排放源產(chǎn)生的顆粒物,具有較好的傳輸特性,在穩(wěn)定的大氣條件下非常容易積聚混合,形成霧霾天氣
電廠燃煤排放顆粒物
大氣中的顆粒物除了前面提到的二次氣溶膠顆粒物以外,還包括污染源直接排放到環(huán)境中的一次顆粒。目前針對(duì)霧霾的成因,多數(shù)研究顯示,燃煤電廠是顆粒物的排放大戶。且其產(chǎn)生的污染氣體,如SO2和NO2還會(huì)誘導(dǎo)二次顆粒物的形成。因此了解燃煤電廠顆粒物的形成機(jī)理對(duì)于減少顆粒物排放、合理制定減排措燃煤產(chǎn)生的顆粒物粒徑范圍跨度很大,最小為納米級(jí)別,最大可以達(dá)到100um左右。
機(jī)動(dòng)車排放
機(jī)動(dòng)車排放顆粒物
盡管各種研究機(jī)構(gòu)對(duì)于機(jī)動(dòng)車排放顆粒是否為主要的污染源存在爭(zhēng)議,但是在遠(yuǎn)離工業(yè)排放源的地區(qū),機(jī)動(dòng)車排放依然是顆粒物的主要來(lái)源。
車輛排放顆粒物的形成
研究表明,由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒物,在進(jìn)入大氣后的一段時(shí)間內(nèi),其狀態(tài)會(huì)發(fā)生連續(xù)變化,主要是因?yàn)樵谂艢夤軆?nèi)顆粒發(fā)生凝并和吸附作用,同時(shí)尾氣中的可凝結(jié)有機(jī)物與無(wú)機(jī)蒸汽會(huì)在顆粒表面凝結(jié),從而改變顆粒的尺寸分布,這些可凝結(jié)蒸汽的濃度變化會(huì)受到大氣稀釋和老化作用的影響,在大氣老化作用中,存在多個(gè)過(guò)程可以改變顆粒的尺寸分布,包括均相成核、二元均相成核和聚并作用。均相成核過(guò)程是指在達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)的蒸汽區(qū)域自發(fā)地形成凝結(jié)核與納米顆粒的過(guò)程,二元均相成核與均相成核作用類似,只不過(guò)此時(shí)存在凝結(jié)核,從而降低了成核所需的過(guò)飽和度。當(dāng)熱煙氣排放到大氣后,受到大氣稀釋作用的影響,煙氣中的揮發(fā)性蒸汽分壓降低,而這些蒸汽的壓力是溫度的函數(shù),此時(shí)溫度也會(huì)隨著稀釋作用降低,溫度與蒸汽壓力之間的關(guān)系是非線性的,因而在一定的稀釋水平下,蒸汽的飽和度會(huì)達(dá)到最大值。對(duì)于尾氣中的有機(jī)部分,在蒸汽的稀釋比處于5:1和50:1之間時(shí),其飽和度達(dá)到最大值,但是該值一般不足以使有機(jī)蒸汽發(fā)生成核作用。然而在10：1和50:1的稀釋比之間,硫酸蒸汽卻能夠發(fā)生成核作用。
排放的顆粒濃度與車輛運(yùn)行狀況的關(guān)系
除了大氣的稀釋和老化作用外,機(jī)動(dòng)車的運(yùn)行工況對(duì)于顆粒的濃度與粒徑分布的影響也十分明顯。一般而言,重型柴油車尾氣顆粒物排放與車輛的瞬態(tài)運(yùn)行工況有密切關(guān)系,如柴油車在快加速時(shí)常常能用肉眼觀察到尾氣管冒黑煙的現(xiàn)象。郝吉明等利用重型車排放車載試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)柴油貨車和公交車開(kāi)展的實(shí)際道路排放測(cè)試顯示:柴油車尾氣的PM2粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度與車速的瞬態(tài)響應(yīng)關(guān)系比較顯著。
生物質(zhì)燃燒形成顆粒的機(jī)理
一般所講的“生物質(zhì)”是指利用大氣、光、水和土地等通過(guò)光合作用生成的有機(jī)物中除去化石燃料的那部分有機(jī)物。其主要組成包含林木廢棄物(木塊、木片、木屑、樹(shù)枝等)、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、有機(jī)物加工廢料、人畜糞便和城市生活垃圾等。生物質(zhì)含量巨大,是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源,占世界能源消費(fèi)總量的14%。目前接近一半的世界人口都在使用生物質(zhì)作為能源。其中多數(shù)用于采暖和炊事做飯。中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),約80%的人口以農(nóng)業(yè)為主,生物質(zhì)燃料在農(nóng)村能源構(gòu)成中占有比較重要的位置。生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成。燃燒時(shí)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素首先放出揮發(fā)性物質(zhì),最后轉(zhuǎn)變成炭。生物質(zhì)的燃燒方式可以分為兩大類:開(kāi)放式燃燒和受限燃燒,其中農(nóng)作物秸稈露天燃燒以及森林大火和草原大火都屬于開(kāi)放式燃燒,而受限燃燒則指在家庭和工業(yè)中利用各種燃燒設(shè)備燃燒物質(zhì)。世界范圍內(nèi),農(nóng)作物秸稈燃燒幾乎占生物質(zhì)燃燒的20%左右,是生物質(zhì)燃燒的重要組成部分。
垃圾焚燒排放
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,垃圾的排放量急劇增大,嚴(yán)重影響了人類生存環(huán)境和城市持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前,我國(guó)城市垃圾年產(chǎn)量已達(dá)1.4億噸以上,且仍以每年8%-10%的速度增長(zhǎng)。城市生活垃圾存量約為60億噸,全國(guó)已有200多個(gè)城市被垃圾包圍。處理城市垃圾的主要方法有填埋法、堆肥法、分類處理法、焚燒法等,其中垃圾的焚燒處理方法可使垃圾高溫滅菌達(dá)到無(wú)害化。針對(duì)目前日益緊缺的城市用地,焚燒后的垃圾容積降低大約90%,大大縮減了垃圾的占有空間;同時(shí),垃圾焚燒余熱還可供熱、發(fā)電,實(shí)現(xiàn)資源再利用。因此垃圾的焚燒處理不僅可以保護(hù)環(huán)境,還能充分利用資源,是垃圾處理發(fā)展的必然趨勢(shì)。
垃圾的組成成分與煙氣中污染物的成分
垃圾燃料的組成成分復(fù)雜、含量變化大。主要受到城市發(fā)達(dá)程度、燃料結(jié)構(gòu)生活水平、飲食習(xí)慣、市場(chǎng)物資供應(yīng)以及季節(jié)變化的影響。目前采用的垃圾焚燒系統(tǒng)主要由垃圾儲(chǔ)存焚燒余熱鍋爐供熱發(fā)電、煙氣凈化處理、排煙等部分組成。其中,垃圾焚燒和煙氣凈化處理是兩個(gè)重要的環(huán)節(jié),這兩個(gè)環(huán)節(jié)處理的情況會(huì)直接影響垃圾焚燒煙氣各部分的形成及其含量變化。生活垃圾焚燒過(guò)程中,在高溫?zé)岱纸夂脱趸淖饔孟?span lang="EN-US">,可燃物及其產(chǎn)物的體積和粒度減小。而不可燃物大部分滯留在焚燒爐爐排上以爐渣的形式排出,質(zhì)量較輕的顆粒物在氣流機(jī)械攜帶和熱涌力的作用下,與焚燒爐產(chǎn)生的高溫氣體一起在爐膛內(nèi)上升,經(jīng)過(guò)與鍋爐的熱交換后從鍋爐出口排出,形成含有顆粒物即飛灰的煙氣流。在輸運(yùn)的過(guò)程中,顆粒物會(huì)與周圍的蒸汽發(fā)生異相凝結(jié),顆粒之間會(huì)發(fā)生聚并作用從而改變顆粒的粒徑分布狀態(tài)。產(chǎn)生的顆粒一般呈灰白色或深灰色。顆粒形態(tài)多樣,其中以不規(guī)則形狀聚合體居多。